Tutorial: Model Based Computations/pt

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O objetivo desse tutorial é apresentar o cálculo básico do modelo (Model Based Calculations). Esses são cálculos relativos apenas aos segmentos rígidos.

Se tem Ph.D. em Cinesiologia ou Biomecânica, ou se é médico ou pesquisador – não passe levemente ou salte completamente essas seções. Este tutorial é escrito com o mínimo de jargão possível para lidar com uma base de clientes muito ampla. No entanto, as interfaces e técnicas descritas são exatamente as mesmas abordagens e técnicas utilizadas para as análises mais sofisticadas.

Parte do poder de Visual3D é a capacidade de determinar exatamente quais e como os cálculos são feitos - e a capacidade de apontar para os trabalhos publicados que comprovem a sua validade. De uma perspectiva de pura ferramenta, o poder está nos parâmetros e opções adicionais do Pipeline e na capacidade de adicionar plug-ins com propósitos específicos.

Objetivo da Análise

Alguns dos parâmetros que iremos analisar incluem a posição da pelve e pé durante a marcha, extensão e flexão do joelho, e os momentos de força e potência do joelho. Para fazer isso, vamos definir os ângulos dos segmentos, ângulos articulares, momentos de força articulares, e a potência articular. Também estaremos relatando sobre os atributos básicos da marcha, tais como comprimento do passo e outras características fundamentais da marcha.

  1. criar um relatório com informações básicas da marcha
  2. calcular o ângulo articular para medir a flexão/extensão do joelho esquerdo e direito
  3. adicionar os sinais computados ao relatório.

Preparação

  1. Abrir o arquivo Tutorial3.cmo
  2. Clicar na guia Signal and Event Processing para visualizar a animação do modelo com base nos dados de movimento e no modelo que lhe foram aplicados. Se a animação não aparecer no visor de animação 3D, verifique o arquivo ativo na caixa combo da barra de ferramenta. Deve ler ’r;Walking Trial 1.c3d’ em vez de ‘ALL-FILES’

Computando Ângulos Articulares

Os ângulos articulares são definidos como a orientação de um segmento em relação a outro segmento. Porque se trata de um espaço 3D, há uma série de transformações de rotação envolvidas no cálculo. Um ângulo articular não é o mesmo que um ângulo de 3 ou 4 pontos em que há projeções, mas não há transformações (mais sobre isso adiante).

O Visual3D permite que você escolha quaisquer 2 segmentos para medir um ângulo articular. Eles não têm de ser ligados - ou mesmo ser próximos uns dos outros. Na prática, os ângulos articulares são calculados como a transformação de um segmento (A) para um outro segmento (B), utilizando o sistema de coordenadas local do segmento B como o quadro de referência.

É essencial selecionar uma seqüência de Cardan adequada com base em uma compreensão completa do que você está tentando medir. Está além do escopo deste documento explicar os conceitos por trás da ordem 3D de rotações / transformações que entram no cálculo dos ângulos articulares. Em Visual3D, você pode escolher a seqüência de Cardan que você deseja. A sequência de Cardan padrão usado pelo Visual3D é a sequência ordenada de rotações (x, y, z) que assume que o eixo Z tem direcção superior/inferior/axial e o eixo Y é anterior/posterior, ou na direção da marcha. (Yeadon, 1990; Davis et al, 1991; Kadaba et al, 1990..), Onde:

X = flexão/extensão
Y = abduction/adduction
Z = rotação longitudinal

Uma das opções para ângulos articulares é selecionar normalização (geralmente não recomendado). Normalização significa que, quando os segmentos no movimento estão na mesma posição relativa que os mesmos segmentos na calibração estática, o ângulo da articulação é considerado zero. O problema com o cálculo de um ângulo normalizado (como fizemos) é que tanto o ficheiro de calibração estática como os arquivos do movimento devem estar alinhados com o eixo de laboratório. Conseguir que um paciente em repouso se posicione orientado em relação ao eixo do laboratório pode não ser possível. Uma abordagem alternativa é criar segmentos virtuais que definem o ângulo desejado na postura em pé. Por exemplo, veja veja here, e here. .

Criar Ângulos Articulares para o Joelho Direito

Em Visual3D, do MODEL na barra principal do menu, selecione Compute Model Based Data para chegar na seguinte caixa de diálogo.

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Criar um ângulo articular chamado ’r;Right Knee Angle’ (ou seja, o nome da variável). A link model based properties é Joint Angle. O segmento será a perna direita e o segmento referência a coxa direita. Selecione a sequência de Cardan XYZ, a qual para esses segmentos é equivalente ao sistema de coordenadas da articulação (Joint Coordinate System). Em seguida pressione o botão Create.

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O ângulo da articulação é criado e a caixa de processamento mostrará se algum erro ocorreu. Note que a caixa de diálogo também contém os arquivos que foram processados. É importante observar isto pois apenas os arquivos ativos terão os sinais processados.

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Crie o ângulo articular chamado Left Knee Angle como segue:

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Observe que uma nova pasta é criada na árvore de dados chamada LINK-MODEL-BASED. Esta pasta agora contém os sinais do ângulo do joelho direito e esquerdo (Left Knee Angle and Right Knee Angle).

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Compreendendo o sinal angular do Joelho

Faça o gráfico da Componente-X dos sinais do Right Knee Angle e Left Knee Angle.

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Para este sistema de coordenadas do segmento (z-superior, y-anterior) a rotação sobre o eixo- x representa flexão/extensão. Visual3D sempre computa todos os sinais baseado na Regra da Mão direita.

Por exemplo, se você apontar o polegar na direção do eixo-x do quadril (mostrado em vermelho no visualizador de animação) apontando lateralmente para a direita. A extensão do joelho será zero quando o sistema de coordenadas do segmento coxa e o sistema de coordenadas segmento perna estão alinhadas. A flexão do joelho será vista como um ângulo negativo.

Note que o eixo-x do sistema de coordenadas de ambas as coxas direita e esquerda aponta lateralmente para a direita. Na figura abaixo, o polegar está apontando na direção do eixo-x, os dedos estão curvando na direção da extensão da perna (em relação à coxa), por isso a extensão do joelho é assim um ângulo positivo.

legenda

Usando o mesmo esquema a adução do joelho é uma rotação positiva sobre o eixo-y para a perna direita e negativa sobre o eixo-y para a perna esquerda. A rotação interna da perna é positiva sobre o eixo-z para a perna direita e negativa sobre o eixo-z para a perna esquerda.

Essa reflexão dos dados anatomicamente da direita para a esquerda é resultado da aplicação da regra da mão direita rigidamente dentro Visual3D. Ao apresentar os dados, é bastante comum para os usuários do Visual3D negar as componentes y e z para o ângulo do joelho esquerdo .

legenda.

As resultantes rotações do joelho sobre o eixo z (interna/externa) são positivos para a mesma direção .

legenda.

Note a diferença no valor mediano das pernas esquerda e direita. A causa provável desta diferença é um ligeiro desalinhamento dos sistemas de coordenadas do segmento de uma das pernas (embora possa ser real para este indivíduo).

Computando os Ângulos Articulares das Pernas

Criar os seguintes ângulos articulares do membro inferior.

Data Name= Right Hip Angle
Folder= ORIGINAL
Model Based Item Properties= JOINT_ANGLE
Negate X, Y, Z= All Unchecked
Normalization= Normalization Off
Segment= Right Thigh
Reference Segment= Pelvis
Cardan Sequence= X-Y-Z

Data Name= Right Knee Angle
Folder= ORIGINAL
Model Based Item Properties= JOINT_ANGLE
Negate X, Y, Z= All Unchecked
Normalization= Normalization Off
Segment= Right Shank
Reference Segment= Right Thigh
Cardan Sequence= X-Y-Z

Data Name= Right Ankle Angle
Folder= ORIGINAL
Model Based Item Properties= JOINT_ANGLE
Negate X, Y, Z= All Unchecked
Normalization= Normalization Off
Segment= Right Foot
Reference Segment= Right Shank
Cardan Sequence= X-Y-Z

Data Name= Left Hip Angle
Folder= ORIGINAL
Model Based Item Properties= JOINT_ANGLE
Negate X, Y, Z= All Unchecked
Normalization= Normalization Off
Segment= Left Thigh
Reference Segment= Pelvis
Cardan Sequence= X-Y-Z

Data Name= Left Knee Angle
Folder= ORIGINAL
Model Based Item Properties= JOINT_ANGLE
Negate X, Y, Z= All Unchecked
Normalization= Normalization Off
Segment= Left Shank
Reference Segment= Left Thigh
Cardan Sequence= X-Y-Z

Data Name= Left Ankle Angle
Folder= ORIGINAL
Model Based Item Properties= JOINT_ANGLE
Negate X, Y, Z= All Unchecked
Normalization= Normalization Off
Segment= Left Foot
Reference Segment= Left Shank
Cardan Sequence= X-Y-Z

Computando os Momentos de Força Articulares

O diagrama de corpo livre de dois segmentos, mostrando os pressupostos da análise da dinâmica inversa.

caption

A Força Articular é a força de reação entre os segmentos adjacentes.

  • Assume-se que as forças articulares são iguais e opostas em relação à articulação.
  • Assume-se que os momentos articulares são iguais e opostos em relação à articulação.
  • Não se assume que a extremidade distal de um segmento esteja no mesmo ponto que a extremidade proximal do segmento seguinte. Isto permite movimento na ”articulação”. Independente da posição da extremidade proximal do segmento distal, nós translacionamos a força para a extremidade distal do segmento proximal para os cálculos da dinâmica inversa.

Nota: Visual3D calcula momento de força resultante interno (Net Internal Moment).

O momento externo é equilibrado pelo momento resultante interno produzido pelos músculos e ligamentos. Por exemplo, seria necessário um momento resultante interno dominado pelo músculo quadrícepe para equilibrar um momento resultante externo criado pela Força de Reação do Solo.

Matematicamente, o momento externo é igual e oposto ao momento interno, mas o usuário é aconselhado a referenciar o termo quando usado num artigo.

Nota: O momento externo não é um termo frequentemente utilizado.

Crie Momento de Força Resultante do Joelho Direito. A imagem seguinte contém uma definição do Momento do Joelho Direito.

caption

A articulação RKNEE é a extremidade proximal do Segmento Perna (Shank Segment); Esse é o nome padrão da articulação.

O Resolution Coordinate System é normalmente o segmento proximal da Joint, então nesse caso o Momento do Joelho Direito (Right Knee Moment) é determinado no Sistema de Coordenadas do Segmento da Coxa Direita (Segment Coordinate System of the Right Thigh).

A normalização padrão (selecionada nesta imagem) divide o Momento de Força pela massa do indivíduo (Subject Mass).

Nota: qualquer valor métrico pode ser usado para normalização.

Existem quatro opções para normalização do Momento Articular.

  1. Normalization Off - sem normalização
  2. Normalize using default normalization – dividindo pela massa do sujeito
  3. Normalize to local metric value - Por exemplo, pode-se criar um valor métrico (metric) contendo a Massa * Altura (Mass*Height) do indivíduo usando o seguinte comando.


Multiply_Signals
/SIGNAL_TYPES=METRIC+METRIC
/SIGNAL_NAMES=MASS+HEIGHT
/SIGNAL_FOLDER=PROCESSED+PROCESSED
/RESULT_NAME=MxH
/RESULT_FOLDER=PROCESSED


Na caixa de diálogo do Compute Model Based, selecionando essa normalização irá abrir uma caixa de diálogo que permite selecionar o Métrico.

  1. Normalize to GLOBAL metric value - Isto é similar ao 3, mas o sinal Métrico é suposto ser um sinal GLOBAL.

Interpretando o sinal do Momento de Força da Articulação

Interpretando o sinal do Momento de Força da Articulação

caption

Visual3D sempre segue a regra da mão direita. A direção da rotação positiva sobre o eixo 'u' (seta vermelha alinhada com o polegar direito) na figura acima é na direção da flexão dos (seta azul).

A fim de determinar o sinal do momento da articulação, o usuário tem de visualizar o sistema de coordenadas em que o momento é resolvido e seguir a regra da mão direita. Por exemplo, considere o momento do joelho. O momento do joelho é tipicamente definido como a perna em relação à coxa. O sistema de coordenadas padrão no Visual3D é x-lateral, y-anterior, z-axial. Portanto, o momento de extensão do joelho é positivo, o momento adutor do joelho é positivo, e rotação interna é positiva.

Os botões para negar os sinais estão disponíveis para usuários que não queiram usar a convenção do Visual3D da Regra da Mão Direita. Por exemplo, alguns usuários preferem que a flexão do quadril, joelho e tornozelo têm o mesmo sinal; a regra da mão direita ditaria que a flexão do joelho é de sinal oposto à flexão do quadril e tornozelo. Negando a componente x do momento de força fará com que o momento de flexão passe a ter um sinal consistente.

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